《高速世界》參考課件1

高速世界

------相對(duì)論

提出問(wèn)題：1、速度有無(wú)極限。2、微觀(guān)粒子的行為與宏觀(guān)物體是否遵循相同的規(guī)律。3、時(shí)間和空間是否是絕對(duì)一成不變的。4、牛頓建立的經(jīng)典力學(xué)已相當(dāng)完善，愛(ài)因斯坦為什么還要提出相對(duì)論？相對(duì)論是否全盤(pán)否定了牛頓的經(jīng)典力學(xué)理論？古希臘的燦爛文化在漫長(zhǎng)的黑暗中世紀(jì)中埋沒(méi)風(fēng)塵，黯然失色。15世紀(jì)，文藝復(fù)興的大旗飄揚(yáng)在歐洲大陸上，自然科學(xué)獲得新的生命，蓬勃成長(zhǎng)?？茖W(xué)巨匠N.哥白尼、第谷、J.開(kāi)普勒、伽利略以及R.笛卡兒等先后馳名于歐洲。一場(chǎng)科學(xué)革命沖破了中世紀(jì)封建勢(shì)力和經(jīng)院哲學(xué)的層層羅網(wǎng)，不斷取得勝利。牛頓──偉大的科學(xué)家，經(jīng)典物理學(xué)理論體系的建立者──正是在歐洲出現(xiàn)政治、經(jīng)濟(jì)和科學(xué)文化新變革的時(shí)代誕生的。

17世紀(jì)牛頓力學(xué)構(gòu)成了體系.可以說(shuō)，這是物理學(xué)第一次偉大的綜合。牛頓建立了兩個(gè)定律，一個(gè)是運(yùn)動(dòng)定律，一個(gè)是萬(wàn)有引力定律，并發(fā)展了變量數(shù)學(xué)微積分，具有解決實(shí)際問(wèn)題的能力。他開(kāi)拓了天體力學(xué)這一科學(xué)，海王星和冥王星的發(fā)現(xiàn)就充分顯示了這一點(diǎn)。經(jīng)典力學(xué)中的空間和時(shí)間力學(xué)的目的在于描述物體在空間中的位置如何隨“時(shí)間”而改變．這里，“位置”和“空間”應(yīng)如何理解是不清楚的．設(shè)一列火車(chē)正在勻速地行駛，我站在車(chē)廂窗口松手丟下（不是用力投擲）一塊石頭到路基上.那么，如果不計(jì)空氣阻力的影響，我看見(jiàn)石頭是沿直線(xiàn)落下的．從人行道上觀(guān)察這一舉動(dòng)的行人則看到石頭是沿拋物線(xiàn)落到地面上的．現(xiàn)在問(wèn)：石頭所經(jīng)過(guò)的各個(gè)“位置”是“的確”在一條直線(xiàn)上，還是在一條拋物線(xiàn)上的呢？對(duì)牛頓運(yùn)動(dòng)定律受參考系限制的認(rèn)識(shí)借助于這一實(shí)例可以清楚地知道不會(huì)有獨(dú)立存在的軌線(xiàn)（“路程——曲線(xiàn)”）；而只有相對(duì)于特定的參考物體的軌線(xiàn)．可見(jiàn)，在非慣性系中，牛頓定律不再成立。經(jīng)典力學(xué)受速度限制的分析伽利略和牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀(guān)認(rèn)為，同一物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間和長(zhǎng)度（位移）在不同的參考系中，測(cè)量結(jié)果是相同的。牛頓力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀(guān)絕對(duì)的，真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自己流逝著，并由于它的本性而均勻的與任何外界對(duì)象無(wú)關(guān)的流逝著?！ｎD絕對(duì)空間，就其本質(zhì)來(lái)說(shuō)，獨(dú)立于外界任何事物，總是始終如一和靜止不動(dòng)的。

——牛頓“薩爾瓦阿弟”大船1632年,Galileo在“薩爾瓦阿蒂”大船上做過(guò)的實(shí)驗(yàn)：伽利略相對(duì)性原理:在彼此作勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的慣性系中，一切力學(xué)現(xiàn)象都具有相同的規(guī)律。牛頓的局限

1)絕對(duì)時(shí)空觀(guān)認(rèn)為時(shí)間與空間無(wú)關(guān)，時(shí)空與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，是絕對(duì)的物理量。

2)當(dāng)一些問(wèn)題牛頓解釋不了時(shí)，它就只好用上帝的萬(wàn)能來(lái)解釋?zhuān)瑸榇伺ｎD花費(fèi)了后半生的心血，這正是牛頓的悲劇。1905年，出生于德國(guó)的美籍物理學(xué)家阿爾伯特·愛(ài)因斯坦（1879──1955）發(fā)表了狹義相對(duì)論。這個(gè)理論指出在宇宙中唯一不變的是光線(xiàn)在真空中的速度，其它任何事物──速度、長(zhǎng)度、質(zhì)量和經(jīng)過(guò)的時(shí)間，都隨觀(guān)察者的參考系（特定觀(guān)察）而變化。

相對(duì)論概述相對(duì)論概述⊙

相對(duì)論主要是關(guān)于物質(zhì)運(yùn)動(dòng)與時(shí)間空間關(guān)系的理論.其中局限于慣性參考系的理論稱(chēng)為狹義相對(duì)論，推廣到一般參考系和包括引力場(chǎng)在內(nèi)的理論稱(chēng)為廣義相對(duì)論.⊙

提出原因：邁克爾孫—莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)論與經(jīng)典時(shí)空觀(guān)及衍生出的以太學(xué)說(shuō)相違背.⊙A.Einstein通過(guò)對(duì)電磁理論研究，意識(shí)到實(shí)驗(yàn)的困境是由于時(shí)空觀(guān)造成的.于是，他徹底拋棄“以太”的概念，提出相對(duì)論的兩條基本假設(shè).基于這兩條基本原理，愛(ài)因斯坦建立了狹義相對(duì)論，把物理學(xué)推進(jìn)到高速領(lǐng)域.1、相對(duì)性原理

不論用什么方法都找不到絕對(duì)參照系,即根本不存在絕對(duì)參照系,一切慣性系都是平權(quán)的。

所有物理規(guī)律在一切慣性系中都具有相同的形式。2、光速不變?cè)?/p>

對(duì)任何慣性系,在真空中沿任意方向傳播的光速都相同,且與光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。即誰(shuí)測(cè)真空中的光速都是c

,與慣性系的選擇及光源無(wú)關(guān)。例：宇宙飛船以20萬(wàn)km/s的速度飛行,人在飛船上向前發(fā)一束光,光在飛船中以光速c傳播,地球上的人測(cè)得光速多大？Km/s按運(yùn)動(dòng)合成得:實(shí)際測(cè)得:Km/s1)愛(ài)因斯坦理論是牛頓理論的發(fā)展討論一切物理規(guī)律力學(xué)規(guī)律2)光速不變?cè)磉m用的條件:A）慣性系；B）真空中(介質(zhì)中的光速C=C/n)Einstein現(xiàn)代時(shí)空的創(chuàng)始人這意味著絕對(duì)時(shí)間、絕對(duì)空間等都是錯(cuò)誤的。同時(shí)的相對(duì)性1同時(shí)的相對(duì)性2同時(shí)的相對(duì)性1同時(shí)的相對(duì)性2愛(ài)因斯坦火車(chē):ABK’系中點(diǎn)ABK’系中點(diǎn)先到B點(diǎn)再到A點(diǎn)同時(shí)到達(dá)A、B火車(chē)上的觀(guān)測(cè)者說(shuō):光源在AB的中點(diǎn),應(yīng)同時(shí)到達(dá)A、B兩點(diǎn),地面上的人看見(jiàn)先到達(dá)B點(diǎn)，后到A點(diǎn)。K系DCK系DC3、相對(duì)時(shí)間

狹義相對(duì)論認(rèn)為時(shí)間不是絕對(duì)的（即固定不變的）。愛(ài)因斯坦指出，隨著物體（觀(guān)察者所見(jiàn)到的）線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)速度的加快，時(shí)間會(huì)變慢。使用同步原子鐘已證實(shí)了這個(gè)結(jié)論的正確性，將一個(gè)鐘表留在地面上，而攜帶另一個(gè)以很快速度移動(dòng)（如在噴氣式飛機(jī)上），隨后進(jìn)行比較，靜止的鐘表總比另一個(gè)稍微快一點(diǎn)。

時(shí)間延緩效應(yīng)4、長(zhǎng)度收縮效應(yīng)

愛(ài)爾蘭物理學(xué)家喬治·佛茲杰拉德（1851-1901）提出，物質(zhì)會(huì)在運(yùn)動(dòng)的方向上收縮（縮?。?，這意味著根據(jù)一個(gè)靜止觀(guān)察者的觀(guān)點(diǎn)，一枚以接近光線(xiàn)運(yùn)行的火箭所表現(xiàn)出的長(zhǎng)度會(huì)比它靜止時(shí)更短，盡管乘坐火箭的人看來(lái)并沒(méi)有什么兩樣。愛(ài)因斯坦指出，任何物體以光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其長(zhǎng)度將會(huì)縮短為零。3長(zhǎng)度收縮1長(zhǎng)度收縮2長(zhǎng)度收縮1長(zhǎng)度收縮25.質(zhì)速關(guān)系

當(dāng)物體在所處的慣性系靜止時(shí)，它具有最小的質(zhì)量m0,這個(gè)質(zhì)量叫靜止質(zhì)量.若物體以速度ν相對(duì)某慣性系運(yùn)動(dòng)時(shí)，在這個(gè)慣性系觀(guān)測(cè)它的質(zhì)量為：質(zhì)速關(guān)系

高速運(yùn)動(dòng)的物體其質(zhì)量測(cè)得值會(huì)非常大，并隨著速度趨于光速c而無(wú)限增大.但事實(shí)告訴我們，一個(gè)真實(shí)的物體質(zhì)量是確定值、有限大結(jié)論：一個(gè)真實(shí)的、靜止質(zhì)量不為零的物體，相對(duì)任何慣性的運(yùn)動(dòng)速度都不可能達(dá)到或超過(guò)光速c.6.質(zhì)能關(guān)系

按照相對(duì)論及基本力學(xué)定律可推導(dǎo)出質(zhì)量和能量具有如下關(guān)系：------著名的質(zhì)能關(guān)系式說(shuō)明：（1）質(zhì)量和能量是物質(zhì)不可分離的屬性；（2）能量變化量和質(zhì)量變化量關(guān)系式為：（3）任何靜質(zhì)量不為零的物體都貯存著巨大的能量：

如果飛船做勻加速運(yùn)動(dòng)，在光向右傳播的同時(shí)，飛的速度也在不斷增大，因此船上觀(guān)察者記錄下的光的徑跡是一條拋物線(xiàn)。廣義相對(duì)論-時(shí)空彎曲1、物質(zhì)的引力使光線(xiàn)發(fā)生彎曲

如果飛船做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，船上觀(guān)察者記錄下的光的徑跡是一條直線(xiàn)（虛線(xiàn)）

飛船外觀(guān)察者看到這束光是直線(xiàn)傳播的（水平向右）通常物體的引力場(chǎng)都太弱，20世紀(jì)只能觀(guān)測(cè)到太陽(yáng)引力場(chǎng)引起的光線(xiàn)彎曲．太陽(yáng)由于太陽(yáng)引力場(chǎng)的作用，我們有可能觀(guān)測(cè)到太陽(yáng)后面的恒星，最好的觀(guān)測(cè)時(shí)間是發(fā)生日全食的時(shí)候．1919年5月29日，發(fā)生日全食，英國(guó)考察隊(duì)分赴幾內(nèi)亞灣和巴西進(jìn)行觀(guān)測(cè)，證實(shí)了愛(ài)因斯坦的預(yù)言，這是對(duì)廣義相對(duì)論的最早證實(shí)．透鏡效應(yīng)星球的強(qiáng)引力場(chǎng)能使背后傳來(lái)的光線(xiàn)匯聚，這種現(xiàn)象叫做引力透鏡效應(yīng)．星體星體無(wú)法觀(guān)測(cè)黑洞宇宙中很可能存在黑洞，它不輻射電磁波，因此無(wú)法直接觀(guān)測(cè)，但是它的巨大質(zhì)量和極小的體積使其附近產(chǎn)生極強(qiáng)的引力場(chǎng)，引力透鏡是探索黑洞的途徑之一．引力場(chǎng)的存在使得空間不同位置的時(shí)間進(jìn)程出現(xiàn)差別．

對(duì)于高速轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤(pán)，除了轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置外，各點(diǎn)都在做加速運(yùn)動(dòng)，越是靠近邊緣，加速度越大，方向指向盤(pán)心．

地面上看到：越是靠近邊緣，速度越大．根據(jù)狹義相對(duì)論，靠近邊緣部位的時(shí)間進(jìn)程較慢．

圓盤(pán)上的人認(rèn)為：盤(pán)上存在引力場(chǎng)，方向由盤(pán)心指向邊緣，靠近邊緣的位置引力勢(shì)較低，得出：引力勢(shì)較低的位置，時(shí)間進(jìn)程比較慢．各類(lèi)星體對(duì)比

宇宙中有一類(lèi)恒星，體積很小，質(zhì)量卻很大，叫做矮星，引力勢(shì)比地球低的多，矮星表面的時(shí)間進(jìn)程比較慢，哪里的發(fā)光的頻率比同種的原子在地球上發(fā)光頻率低，看起來(lái)偏紅，這個(gè)現(xiàn)象叫做引力紅移．引力紅移狹義、廣義相對(duì)論比較狹義相對(duì)論廣義相對(duì)論不同的慣性參考系中一切物理規(guī)律都是相同的

任何參考系（包括非慣性系）中物理規(guī)律都是相同的真空中的光速在不同慣性參考系中都是相等的

一個(gè)均勻的引力場(chǎng)與一個(gè)做勻加速運(yùn)動(dòng)的參考系等價(jià)更進(jìn)一步等效原理光速恒定愛(ài)因斯坦相對(duì)性原理廣義相對(duì)性原理對(duì)于時(shí)空觀(guān)的認(rèn)識(shí)物質(zhì)本身的存在決定時(shí)空的性質(zhì)時(shí)空性質(zhì)和物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)狹義相對(duì)論廣義相對(duì)論慣性系平權(quán)所有參考系平權(quán)時(shí)空觀(guān)光速恒定等效原理

“照亮我的道路,并不斷給我新的勇氣去愉快地正視生活理想的是善、是美、是真”。

“人只有獻(xiàn)身社會(huì),才能找出那實(shí)際上是短暫而又有風(fēng)險(xiǎn)的生命的意義”!他剖析自己的科學(xué)感受時(shí)說(shuō)：Einstein對(duì)相對(duì)論的解釋:

當(dāng)你和一個(gè)漂亮姑娘在一起坐一小時(shí),你感覺(jué)只坐了一分鐘,當(dāng)你坐在火爐旁一分鐘,就好象坐了一小時(shí),這就是相對(duì)論?！?/p>

科學(xué)的頭腦就是去懷疑,去證實(shí),去發(fā)現(xiàn)的精神!”AlbertEinstein世紀(jì)偉人相對(duì)論好象是：“光彩奪目的火箭，它在黑暗的夜空，突然劃出一道道十分強(qiáng)烈的光輝，照亮了廣闊的未知領(lǐng)域?！?/p>

——德布羅意瞬間一別路漫漫，但覺(jué)未過(guò)光速關(guān)。鐘尺合須靜里用，云山偏向動(dòng)中看。時(shí)空相對(duì)非虛語(yǔ)，質(zhì)能并增豈等閑。權(quán)將電波傳信息，只緣相見(jiàn)難上難。跨箭相期星際游，一別瞬息見(jiàn)三秋。動(dòng)境鐘尺多疑難，因果規(guī)律乃存留。質(zhì)能守恒驚人數(shù)，時(shí)空相對(duì)盡眼收。權(quán)將光波通信息，歸來(lái)尚須苦作舟。

愛(ài)因斯坦給后人的信

一天，愛(ài)因斯坦正在撰寫(xiě)光電效應(yīng)定律的論文，美國(guó)總統(tǒng)羅斯福打來(lái)電話(huà)，讓他給５０００年后的人們寫(xiě)一封信。愛(ài)因斯坦笑了，說(shuō)：“總統(tǒng)，您真會(huì)開(kāi)玩笑，要我寫(xiě)些什么呢？”羅斯福非常鄭重地說(shuō)：“把我們這個(gè)時(shí)代人們的思想和科學(xué)的發(fā)展，告訴５０００年后的人們，讓他們對(duì)我們有所了解?！薄斑@樣的信，即使寫(xiě)了也沒(méi)法寄?。　睈?ài)因斯坦說(shuō)，“沒(méi)有這樣的郵差。”

“這個(gè)，我考慮過(guò)。”羅斯福成竹在胸，“有的。我們給他們做一個(gè)安全固定的信箱，５０００年后，他們到那里去取就是了……”愛(ài)因斯坦饒有興趣地點(diǎn)點(diǎn)頭說(shuō)：“還是總統(tǒng)有辦法?！?/p>

羅斯福１９３３年任美國(guó)第３２屆總統(tǒng)，業(yè)績(jī)輝煌。他所以叫愛(ài)因斯坦給５０００年后的人們寫(xiě)信，要的是名人效應(yīng)。愛(ài)因斯坦是偉大的科學(xué)家，在物理學(xué)的許多方面做出了卓越的貢獻(xiàn)，特別是相對(duì)論，揭示了空間—時(shí)間的辯證關(guān)系，無(wú)論在科學(xué)上還是在哲學(xué)上，都具有重要的歷史意義。１９３８年８月１０日，愛(ài)因斯坦寫(xiě)了《致后人書(shū)》——

“我們的時(shí)代富于創(chuàng)造思想。我們的發(fā)現(xiàn)本應(yīng)該可以大大地使我們的生活輕松愉快。我們利用電能橫渡大洋。我們使用電能來(lái)減輕人類(lèi)的繁重的體力勞動(dòng)。我們學(xué)會(huì)了飛行。我們利用電波很容易地把消息發(fā)到全球各地去?！?/p>

“但是，雖然有著這一切，我們的商品的生產(chǎn)和分配是完全無(wú)組織的，人們必須生活在憂(yōu)慮中，擔(dān)心被人從經(jīng)濟(jì)生活中拋出，失去一切。除此之外，生活在不同國(guó)家中的人們每隔一個(gè)長(zhǎng)短不等的時(shí)間就要進(jìn)行互相殺戮，因此，每一個(gè)想到未來(lái)的人必然都生活在經(jīng)常的憂(yōu)慮中?！?/p>

“我相信，我們的后人將懷著一種理所當(dāng)然的優(yōu)越感讀上面這幾行文字吧?！睈?ài)因斯坦的這封給后人的信是用特制的墨水和紙寫(xiě)成的。與其它的文件一起裝進(jìn)一個(gè)特制的鋼體里，埋入紐約當(dāng)時(shí)準(zhǔn)備動(dòng)工興建的國(guó)際博覽會(huì)